How to estimate the explosion pressure

Understanding the potential explosion pressure allows for the implementation of appropriate safety measures to protection personnel, equipment, and facilities. This may include designing blast-resistant structures, implementing evacuation plans, and providing personal protective equipment.

Blast effects on structure and equipment

TNT Equivalency

TNT equivalency is a simple method for equating a known energy of a combustion fuel to an equivalent mass of TNT and uses an overpressure curve to apply a point source detonation of TNT.

How to estimate the liquid velocity in the bore pipe

The estimating liquid velocity in the piping offers several benefits such as optimized system performance, prevention of erosion & corrosion, and avoidance of cavitation.

In safety point of view, fluid velocity is one of critical parameters to determine the erosion and corrosive effects on the pipe material. Excessive fluid velocity can lead to the cavitation and can cause damage to the pump when apply the pump series connection or boosting concept.

Erosion Velocity

Erosion velocity refers to the fluid velocity at which erosion of the pipe material begins to occur. One common used empirical correlation is API RP 14E equation, which provides guidelines for estimating erosion velocity in hydrocarbon service.

Example

Estimate the fluid velocity in the 4-inch pipe for carrying the fluid flowrate 400 gallons/min and liquid density is 65 lb/ft3.

From the above figure shown, the result velocity is 8 ft/s which is lower than the erosion velocity at 12.4 ft/s. [100/(65^0.5)]

How to estimate the oil spill volume on water

Estimating the potential size and impact of an oil spill is crucial for several reasons such as Emergency Response Planning, Risk Assessment, Environment Protection, Public Safety & Health, and Resource Allocation.

A rough estimate of spill volume can be generated from observation of the oil slick’s size and thickness (1st figure) and the appearance, and light condition (2nd figure).

Example

Estimate the area impact of oil 100-gallon leakage from the offshore platform to the sea surface and spreading with dull colors.

Since the oil slick thickness is unknown, the area covered after 24 hours is between 0.0004 to 0.8 sq. miles. The more conservative area that needs to be investigated shall be as big as possible.

From the table, interpolate 2,500,000 + (100-61.7)*2,500,000/(123.4-61.7) = 4,051,863 sq. ft. or 0.145 sq. miles.

Blast Explosion Study

Blast explosions are typically associated with flammable cloud when it is formed during the leakage of flammable gases. If its direct ignition once released lead to a flash fire. If, however, its ignition is for some delayed (5-10 mins), then a Vapor Cloud Explosion (VCE) is the probable outcome.

The study of blast explosions involves understanding the dynamics, effects, and mitigations of these explosions.

Key aspects of blast explosion studies include:

Shockwave Propagation: Blast explosions generate shockwaves the travel through the air, causing damage to structures and injuring people. Understanding how these shockwaves propagate is crucial for assessing the potential impact of an explosion.

Blast Effects: The study can demonstrate the effects of blast waves on structures, infrastructure, and the human body. This includes the evaluation of overpressure (peak pressure), impulse (the total pressure applied over time), and the duration of the blast.

Structural Response: Buildings and other structures react differently to blast loads depending on their design and construction. The design aims to develop methods to design structures that can better withstand blast impacts.

Human Injury and Protection: Blast explosions can cause injuries to humans, including primary injuries from the blast wave, secondary injuries from flying debris, and tertiary injuries from being thrown or crushed. Studies focus on protective measures and strategies to minimize these injuries.

Two (2) main important parameters output from Blast Explosion Study

  1. Peak Pressure (Overpressure): The peak pressure, also known as overpressure, refers, to the maximum pressure level reached by the blast wave during its propagation. It is usually measured in (psi) or (Pa). Peak pressure is a critical factor in assessing the potential damage caused by a blast. Higher peak pressures are associated with greater destructive potential.
  2. Impulse: Impulse is the cumulative effect of the blast wave over time. It is the integral of the pressure-time curve and represents the total momentum imparted by the blast wave. Impluse is calculated by integrating the pressure-time curve over a specified time interval and is expressed in (psi.s) or (N.s/m2)

Damage estimated based on overpressure published by V.J Clancey “Diagnostic Features of Explosion Damage” are given in below table.

psigkPaDamage
0.32.07“Safe distance” probability 0.95 of no serious damage below this value. Projectile limit. Some damages to house ceiling. 10% window glass broken.
213.8Partial collapse of walls and roofs of house
320.7Heavy machines (3,000 lbs) in industrial buildings suffer little damage. Stell frame building distort and pull away from foundation.

Parameters Significantly Affecting the Behavior of Explosions

  • Ambient temperature
  • Ambient pressure
  • Composition of explosive material
  • Physical properties of explosive material (material reactivity)
  • Nature of ignition source i.e. type, energy, and duration
  • Geometry of surrounding i.e. confined or unconfined space
  • Degree of confinement
  • Amount of combustible material
  • Turbulence of combustible material
  • Time before ignition

Deflagration and Detonation

The damage effects from explosion depend highly on whether the explosion results from a detonation or a deflagration. Deflagration and detonation are both processes of rapid combustion, but they differ in terms of the speed of the combustion wave and the mechanisms involved. The below table is a summarize of the difference between deflagration and detonation.

DeflagrationDetonation
SpeedSubsonic combustion processSupersonic combustion process
PropagationCombustion wave moves through the substance relatively slowly. Combustion wave moves through the substance very rapidly.
Shock WaveNo strong shock wave produced. Shock wave is the formation of Detonation.
ExampleBurning of a piece of paper.Explosion of dynamite.

In the detonation mode, the flame front travels as a shock wave and exceeds the velocity of sound (330 m/s) typically of the order of 2,000 – 3,000 m/s. A detonation generates greater pressure than a deflagration explosion flame.

A deflagration can also evolve into a detonation. This is called a deflagration to detonation transition (DDT). The transition is particularly in pipes but unlikely in vessels or open spaces since in the piping system the energy from a deflagration can convert to pressure wave, resulting in an increase in the adiabatic pressure rise.

Key parameters

Ignition of the flammable gas, dust or mist cloud will result in the propagation of a frame front, or deflagration wave. The effect of a deflagration is to increase the pressure-volume product due to a large rise in temperature and a change in mole amount of gas present. Hence, based on this explanation, the relationship of ideal gas equation of state can be applicable.

For the explosion to take place, three conditions must be presented.

  1. Sufficient quantities of flammable fuel, air, and ignition source or cloud dimension;
  2. Flame speed (Sf); and
  3. System geometry.

Cloud dimension, R (m), is derive from the volume, V (m3) of the vapor cloud, which is composed from flammable gas and air on the surface. This can be calculated from the reaction’s stoichiometry. The geometry of the cloud dimension could be considered as a hemisphere, as

Burning velocity is defined as the speed at which the flame front propagates through the flammable mixture relative to the unburned mixture ahead of the flame. However, burning velocity does not take into account the flame expansion relative to stationary objects. Hence, when such expansion is taken into account, the term flame speed is used.

As a minimum of flame speed,

However, flame speed (Sf)can become high, particularly in the tube situation where displacement of the gas ahead of the flame creates pipe flow turbulence. Flame speed without turbulence for hydrogen without stationary objects would be about 24 m/s (laminar) but turbulence could lead to flame speed of 240 m/s or more. Hence, the system geometry is more contribute to the pressure of explosion than the flame speed significantly.

The value of the estimate the burning velocity (Su) for a number of gases in air can be referred to NFPA 68.

System geometry

Open area

If the explosion occurs in the unconfined space, it can be called as unconfined vapor or dust cloud deflagration which can presents the hazards of an expanding fireball rather than the detonation since it does not produce large localized overpressure.

The size of fireball generated can be estimated by assuming that a fixed amount of fuel burns with a stoichiometric equivalent amount of air to yield a burned volume at the flame temperature. The increase in volume in volume of the burned mass is estimated by using the relationship of ideal gas equation of state.

For example, the maximum theoretical hydrocarbon’s pressure, with initial pressure and temperature between 1 and 40 bar and 0-300oC.

Shepherd et al. (1997) developed a relatively simple and sufficient accurate model on the basis of energy conservation law applied to a constant volume adiabatic system.

Partially confined

A partially confined deflagration is represented by combustion of a vapor or dust cloud in a small volume of a larger enclosure which the total pressure rise is proportional to the volume of gas burned. The example case are;

  • Explosion inside the building;
  • Explosion in vessels and pipes

In case of building with some opening, A simple method to determine the peak pressure has been described by Weibull (1968) as follows.

Unconfined Vapor Cloud Explosion (UVCE) Methods

UVCEs are among the most serious scenarios in QRA consequence assessments, due to the potential huge and large impact on people and assets. The main model and summary of each model are presented as below.

Equivalent TNT Mass Method

  • Compare heat of combustion with the energy release of TNT which is equivalent to 4.69×106 J/kg

Multi-Energy Model (MEM)

  • Blast pressure is determined by charts which is defined by scaled pressure and scaled duration against a scaled distance;

Baker Strehlow Tang (BST)

  • BST methodology requires selection of the maximum flame speed, on the basis of the combined effects of congestion, fuel reactivity, and confinement.
  • Congestion levels for BST is segregated by area blockage ratio per plane, number of obstacle layers, and pitch.
  • Reactivity of fuels are defined by burning velocity (Su);
  • Then, the flame speed correlations are determined by congestion and reactivity.
  • Blast pressure is defined by above factor including the applying of the chart scaled pressure and scaled duration against a scaled distance same as MEM method.

Offshore Facility Layout Safety

The design of offshore facility layout involves several key elements to ensure unit partition, fire-fighting capabilities, risk level, process flexibility & availability, accessibility& transportation, environmental consideration, and structure integrity. However, at the very end point of the safety, the installation should minimize the potential of gas release or smoke drifting toward the accommodation and primary evacuation point.

If the ingress of smoke or gas is possible, the design of any ventilation system shall take into account since the amount of ventilation available and degree of congestion are significantly influence the severity of an explosion.

To reduce the potential of hazards, the goal is to achieve segregation of fuel ignition sources by separating groups of equipment and defining the compatibility of units between each other. Examples of the separation are the following which are defined from (Fuel Source VS Ignition Source).

  1. Wellhead (FS)
  2. Unfired process (FS): Manifold, header, separator, exchanger, pump, compressor, slug catcher, metering, etc.
  3. Hydrocarbon Storage (FS): Produced water tank, sump tanks, etc.
  4. Fired process (IS): Fired heater.
  5. Machinery and power generation (IS): Generator, Air Compressor, Engine, etc.
  6. Working area and utility equipment unit (IS)
  7. Pipeline and riser (FS): Riser, Pig launcher, pig traps
  8. Vent and Flare (FS & IS)
  9. Transportation (IS)

If the units that are located beside each other are compatible (FS + FS) or (IS + IS), they can be located in the same fire zone. If the case is (FS + IS), a detailed study shall be performed such as locating those two different fire zones, considering the safety distance, performing the quantitative risk assessment, etc.

Working Area

  • Central Control Room (CCR): This room is a central hub or nerve center located on the offshore platform, where operators monitor and control various aspects of the facility’s operation.
  • Switchgear room: This room contains all electrical switchboards to distribute generated power to users.
  • Battery room: This room contains battery racks for the Uninterrupted Power Supply (UPS) system. It shall be ventilated to avoid hydrogen concentration.
  • UPS room: Dedicated switchboard for system fed by UPS are located in this room.
  • Telecommunication room: This may contain the telecom console, and the video/radio transmission facilities.
  • Workshop: This room shall be separated for maintenance and repair activities. It should be separated by function such as Mechanical workshop, HVAC workshop, Instrument Workshop, Electrical Workshop, and etc.

Utility Equipments Area

  • Firewater pump: Based on NFPA, each living quarter (LQ) shall have a dedicated firewater pump with a redundant system and shall be placed at a suitable distance from the (PP) production platform.
  • Potable water maker: It shall be installed in a small shelter and placed at the highest elevation for the benefit of gravity pressure.
  • Gray/black water disposal system: Gray (kitchen, shower, etc.) and black water (toilet) shall be designed with gravity flow and end at the sewage treatment system
  • Equipment lift: This is installed in case the pedestal crane and laydown areas cannot transfer to LQ.
  • Aviation refueling station/tank: It is only installed at the highest elevation for quick assess to a helicopter which shall be at a remote location.

Vent and Flare area

  • Flare platform shall be located far away from production platform (PP);
  • Ensure that the wind is blowing flare gases away from the complex;
  • Flare should not be located down-wind of sources of flammable gas;
  • Cold vent are also considered as the source of release and could become ignition source in case of accidental igition.

Transportation Area

  • Boat landing: Also known as a marine transfer station where boats or vessels can safely dock, load, and unload passengers, cargo, equipment, or supplies. Key features of boat loading include.
    • Docking area: The docking area is typically equipped with fenders or bumpers to prevent damage to both the boat and the offshore structure docking maneuvers.
    • Mooring and Berthing Equipment: Boat landing may include mooring bollards, cleats, or padeye to secure boats in place once they are docked. Mooring lines or ropes are used to tie the boat securely to the offshore structure. This activity shall be very careful since during extreme weather conditions the workboat may drift uncontrolled and clash with the platform (PF)
    • Access Equipment: Boat landing often have gangways, stairs, or ramps to facilitate the safe boarding and disembarkation of passengers between the boat and the offshore platform.
    • Lighting and Signage: Boat landing may equipped with lighting system to ensure visibility and safety during nighttime or low-light conditions.
    • Location: The location of boat landing area should be installed at the opposite side of the flare, and consider the risk of vent, exhaust location, wind, sea swell, current direction, and hazardous area, including wire-line operations.
    • Ship impact and dropped objects: The risers and conductor should be designed and positioned or minimize the likelihood of damage due to ship impact and drop objects.
  • Air Transfer: Air transfer refers to the transportation of personnel or cargo via helicopters between onshore bases and offshore facilities.
    • Helipads and landing facilities: Helipads or designated landing area to accommodate helicopter landings and takeoffs shall be equipped with lighting, marking, and safe
    • Location: The location of the helicopter approach shall consider the risk of flare, vent, exhaust location, wind direction, and hazardous area. The 210o approach shall be free, up to 1 km away, of any obstacle.
    • Safety Feature: The safety feature that should be installed on the helipad such as;
      • Safety Net and Barriers: To prevent from personnel and equipment falling off the platform which should be installed in a cantilevered position.
      • Fire Suppression System: such as foam monitors or fire extinguishers.
      • Tie-Down point: Tie-down point or anchoring system shall be provided to secure the helicopter in place during adverse weather condition.
      • Weather Monitoring Equipment: such as windsocks, anemometers, and visibility sensors should be installed near the helipad to provide real time weather data to pilots.
      • Emergency Lighting and Signage

Wellbore HAZOP การชี้บ่งอันตรายของการทำงานกับหลุมเจาะ

Wellbore หรือ borehole หรือหลุมเจาะ ที่หลังจากผ่านงานเจาะ drilling, cementing, workover, และ well completion แล้วนั้นก็จะมีลักษณะเป็นท่อทรงกระบอกที่เจาะผ่านชั้นเปลือกโลกลงไปรับ well fluids ขึ้นมา ก็จะประกอบไปด้วยกันหลายๆองค์ประกอบ

องค์ประกอบด้านบน Surface Equipment ก็จะมีไล่จากบนลงไปคือ Christmas Tree, Tubing Spool, Casing Spool, และ Casing Head ที่ทำหน้าที่เป็นตัวรับ (ยึด) ตัวอุปกรณ์ที่เจาะลงสู่พื้นดิน

องค์ประกอบด้านล่าง ไล่จากข้างนอกเข้ามาด้านใน ได้แก่ Conductor pipe, Surface Casing, Intermediate Casing, Production Casing ที่ทำหน้าที่ยึดเข้ากับ Casing Head ข้างบนเพื่อนำ Tubing จาก Reservation zone ขึ้นมา และที่ปลาย tubing ก็ยังมี packer เป็นลักษณะคล้ายตัวกรอง ไม่ให้มีทรายหรืออะไรเข้ามาติดใน tubing

Key components equipment in Wellbore

Casing: เป็นลักษณะเป็นท่อเหล็กที่ถูกแทรกเข้าไปในหลุม drilled hole เพื่อป้องกันหลุมเสียสภาพโดยมีด้วยกันหลายชั้น เช่น conductor pipe, surface casing, intermediate casing และ production casing ซึ่ง casing จะอยู่ถัดจากชั้นหินและก็ cement

Casing and Tubing Hanger: เป็นเหมือน supports (การแขวน) ของตัว production casing และ tubing ภายใน wellhead ทำให้เกิด annular space รอบๆ tubing

Annulus: คือชั้นว่างระหว่าง production casing กับ tubing ภายใน wellbore โดยอาจจะมีการเติม drilling fluid หรือ cement ก็ได้ เพิ่มสร้าง hydraulic isolation ไปที่ production packer

Cementing: คือตัวซีเมนต์ที่ถูกอัดเข้าไปใน drilled hole ผ่าน casing ที่ workover ลงไปในชั้นผิวดินเพื่อสร้างผนัง ระหว่างชั้นหินกับ casing แล้วการตรวจสอบความสมบูรณ์ของ cement ทำผ่านกระบวนการ wire line ซึ่งแน่นอนว่าการใช้ cement ยังช่วยป้องกันไม่ให้ของเหลวจากชั้นอื่นๆไหลมาผสมเข้ากับ reservation zone

Perforation: เป็นลักษณะรูที่ปลาย production casing โดยหลังจากที่ซีเมนต์หลังจากทำ cementing แข็งตัวแล้วนั้น ได้มีการใช้กระสุนเจาะรูบน casing ผ่าน cement เข้าสู่ชั้น reservation zone เพื่อนำ well fluids ขึ้นสู่ด้านบน

Completion Fluid: เป็นของเหลว เช่น brine หรือสารประกอบที่มีองค์ประกอบน้ำมันเพื่อเติมเข้าไปในที่ว่างต่างๆใน wellbore เพื่อสร้าง hydrostatic pressure เพื่อควบคุมไม่ให้เกิด hydrocarbon formation ใน wellbore

Packers: packer เป็นอุปกรณ์ที่ทำหน้าที่คล้ายๆกับตัวกรอง filter ใช้เพื่อทั้งควบคุม (กรองเฉพาะสารที่ต้องการ) และดักไม่ให้สิ่งแปลกปลอมเข้าไปตันใน casing

Safety Valve: ที่ทำหน้าที่ป้องกันไม่ให้อัตราการไหลออกของ well fluid ขึ้นมาบน well head สูงเกินไป เพราะความดันก็จะสูงตามไปด้วย โดยจะมีทั้งที่เป็นแบบควบคุมการทำงานด้วยตัวเอง เรียกว่า Subsurface Controlled Safety Valve (SSCSV) หรือควบคุมด้วยระบบ hydraulic pressure จากด้านบน เรียกว่า Surface Controlled Subsurface Safety Valve (SCSSV)

Hazards from Wellbore operation

High Pressure and Blowouts: ความดันที่สูงของ reservoir fluid อาจพุ่งขึ้นมาบน wellhead ที่อยู่บน surface ได้ ถ้าควบคุมความดันได้ไม่ดีหรืออุปกรณ์ควบคุมเสรยหาย เรียกว่า blowouts จะเกิดมีการรั่วเกิดขึ้นเป็นปริมาณที่มาก อาจนำไปสู่อันตรายร้ายแรงได้ เช่น Fire and Explosion hazards

Hydrogen Sulfide (H2S) Exposure: สำหรับบางแหล่งการผลิต อาจมี hydrogen sulfide เป็นส่วนประกอบ ซึ่ง hydrogen sulfide เป็นสารที่มีความอันตรายสูงต่อสุขภาพ toxic substance อย่างรุนแรงและรวดเร็วได้ เพราะสารนี้ส่งผลต่อระบบทางเดินหายใจ ดังนั้นงานบางประเภท เช่น workover ต้องระวังเป็นอย่างมาก

Chemical Exposure: ในระหว่างงาน drilling and well completion นั้นมีความยุ่งเกี่ยวกับสารเคมีมาก เช่น drilling mud, hydraulic fluid, corrosion inhibitor ซึ่งอาจจะส่งผลต่อสุขภาพกับผู้ปฏิบัติงานได้

Environmental Impacts: เหมือนกับทางด้านสิ่งแวดล้อม ถ้าสารเคมีต่างๆที่กล่าวมาข้างต้น ไม่ได้มีการควบคุมให้ดี ถ้าเกิดมีการรั่วไหลสู่ภายนอกย่อมส่งผลกระทบกับสิ่งแวดล้อม

Wellbore Safety

ความปลอดภัยของหลุมเจาะเพื่อป้องกันการเกิดอุบัติเหตุร้ายแรง เช่น Blowout จะเน้นไปที่การสร้างและรักษา Well Integrity (ความสมบูรณ์ของหลุมเจาะ) ตลอดอายุการใช้งานของหลุม โดยมีระบบป้องกันที่สำคัญได้แก่

ระบบกั้นหลัก (Well Barriers)

หลักการพื้นฐานที่สุดของความปลอดภัยของหลุมเจาะคือการมี ระบบกั้น (Barriers) อย่างน้อย 2 ชั้นที่ทำงานเป็นอิสระต่อกัน เพื่อป้องกันไม่ให้ของไหล (น้ำมัน/ก๊าซ) ไหลอย่างควบคุมไม่ได้จากแหล่งกักเก็บสู่พื้นผิว

Primary Barrier (ระบบกั้นปฐมภูมิ)

Drilling Fluid (น้ำโคลนเจาะ): เป็นระบบกั้นหลักแรกสุด โดยน้ำโคลนเจาะจะมีความหนาแน่น (Mud Weight) ที่เหมาะสม เพื่อให้เกิด Hydrostatic Pressure (ความดันน้ำหนักของเหลว) ที่สูงกว่า Formation Pressure (ความดันของชั้นหินกักเก็บ) เล็กน้อย

การรักษาสมดุลความดันนี้เรียกว่า Primary Well Control หากสูญเสียการควบคุมนี้ (เช่น น้ำโคลนเบาเกินไป) จะทำให้เกิด Kick (การไหลเข้าของของไหลจากชั้นหินสู่หลุมเจาะ) ซึ่งเป็นสัญญาณเตือนของ Blowout

Secondary Barrier (ระบบกั้นทุติยภูมิ)

Blowout Preventer (BOP): เป็นวาล์วขนาดใหญ่ที่ติดตั้งอยู่บนปากหลุมเจาะ (ในงาน Offshore จะอยู่ใต้ทะเล – Subsea BOP) มีหน้าที่ในการ ปิดหลุม (Shut-in the well) โดยสมบูรณ์ทันทีที่เกิด Kick เพื่อควบคุมความดันและป้องกัน Blowout

Casing และ Cement: ท่อกรุเหล็ก (Casing) และซีเมนต์ที่ใช้ในการยึดท่อกรุติดกับผนังหลุม เป็นตัวกั้นที่สำคัญที่แยกชั้นหินต่าง ๆ และป้องกันการไหลข้ามชั้น

Wellhead และ Christmas Tree: อุปกรณ์วาล์วที่อยู่บนพื้นผิว (บนแท่นผลิต) ทำหน้าที่ควบคุมและจัดการการผลิตอย่างปลอดภัย

General problem of Wellbore operation

นอกจาก aspect ต่างๆที่อาจจะเปิดอันตรายขึ้นจาก wellbore ได้ ในระหว่างการทำงานปกติ ปัญหาต่างๆเหล่านี้ก็มักจะเกิดขึ้น

ปัญหาด้านความมั่นคงของหลุมเจาะ (Wellbore Instability) ซึ่งมักเกิดจากความไม่สมดุลของความดันที่ควบคุมโดยน้ำโคลน (Drilling Fluid) กับความดันและแรงเค้นของชั้นหิน

  • Hole Collapse / Caving / Sloughing: การยุบตัวของผนังหลุม เพราะ ความหนาแน่นน้ำโคลน (Mud Weight) ต่ำเกินไป ทำให้แรงดันสถิต (Hydrostatic Pressure) ไม่เพียงพอที่จะต้านทานแรงเค้น (Stress) ของชั้นหินโดยรอบ

ปัญหาการควบคุมหลุม (Well Control Issues) นี่คือปัญหาที่เกี่ยวข้องกับการสูญเสียการควบคุมความดันในหลุมเจาะ ซึ่งเป็นอันตรายที่สุดที่สามารถนำไปสู่ Blowout (การประทุของหลุม) ได้

  • Kick (การไหลแทรก) เพราะความหนาแน่นน้ำโคลน (Mud Weight) ต่ำกว่า ความดันของชั้นหินกักเก็บ (Formation Pressure) ทำให้ของไหล (ก๊าซ, น้ำมัน, หรือน้ำเกลือ) ไหลเข้าสู่หลุมเจาะ
  • Lost Circulation (การสูญเสียน้ำโคลน) เพราะความหนาแน่นน้ำโคลน (Mud Weight) สูงเกินไป ทำให้แรงดันสถิตเกินกว่าความดันแตกของชั้นหิน (Fracture Pressure) น้ำโคลนจึงไหลทะลุออกไปในรอยแตกของชั้นหิน

ปัญหาเกี่ยวกับ Well Integrity

  • Cement Failure (ซีเมนต์ล้มเหลว) เพราะการผสมซีเมนต์ผิดพลาด, การปนเปื้อนของน้ำโคลนในซีเมนต์, หรือแรงดันที่มากเกินไปหลังการอัดซีเมนต์
  • Sanding (การผลิตทราย) เพราะการผลิตของไหล (น้ำมัน/ก๊าซ) จากชั้นหินทรายที่ไม่มีความแข็งแรงเพียงพอ (Unconsolidated Sandstone) ที่ความเร็วสูง

Example HAZOP study for Wellbore operation

NodeGuideword Deviation (การเบี่ยงเบน)Possible Causes (สาเหตุที่เป็นไปได้)Consequences (ผลที่ตามมา)Safeguards / Actions Required (มาตรการป้องกัน / การดำเนินการ)
Drilling Fluid (น้ำโคลน)NO / LESSความหนาแน่นของน้ำโคลนต่ำเกินไป (Low Mud Weight)การเจาะผ่านชั้นหินที่มีความพรุนสูง, สูญเสียโคลนลงชั้นหิน (Lost Circulation), การเจือจางน้ำโคลนWell Kick (ของไหลจากชั้นหินไหลเข้าหลุม), Blowout (การประทุของหลุม)Secondary Barrier
MOREความหนาแน่นของน้ำโคลนสูงเกินไป (High Mud Weight)การผสมน้ำโคลนผิดพลาด, การเพิ่มสารหนักมากเกินไปFormation Fracturing (ผนังหลุมแตก), Lost Circulation (สูญเสียน้ำโคลน), Surge Pressureการตรวจสอบความดันหลุมเจาะ (Annular Pressure Monitoring)
Casing & CementREVERSEการติดตั้ง Casing ผิดพลาดการหย่อนท่อกรุลงไม่ถึงความลึกที่กำหนด, ซีเมนต์ไม่แข็งตัวตามกำหนดเวลาWell Integrity Failure– การตรวจวัดความตึงของ Casing (Casing Tension Monitoring)
– การทดสอบความสมบูรณ์ของซีเมนต์ (Cement Bond Log – CBL)
BOP (Blowout Preventer)NO / LESSBOP ไม่สามารถปิดหลุมได้ หรือวาล์วทำงานล้มเหลวความผิดพลาดของระบบไฮดรอลิก, การบำรุงรักษาไม่เพียงพอ, ซีลเสียหายUncontrolled Flow / Blowout, ความเสียหายต่ออุปกรณ์Primary Barrier
Drill String (ก้านเจาะ)OTHER THANของไหลไหลผ่าน Drill Stringการเกิดรูรั่ว (Washout) ที่ก้านเจาะ, การรั่วไหลที่จุดต่อ (Connection Leak)สูญเสียแรงดันในระบบ, การเกิด Well Kick ภายในท่อ– การตรวจสอบแรงดันปั๊มน้ำโคลน (Pump Pressure Monitoring)
– การตรวจสอบรอยร้าว/สึกหรอของก้านเจาะด้วยคลื่นเสียง (NDT)
Annulus (ช่องว่าง)MOREแรงดันสะสมในช่องว่างระหว่าง Casing/Tubingการปิดกั้นช่องว่าง, การเกิดฟองก๊าซจากชั้นหิน (Gas Migration)Casing Collapse/Burst, การรั่วไหลที่ Wellhead– การระบายแรงดันช่องว่างอย่างมีระบบ (Annulus Venting Procedure)
– การเฝ้าระวังแรงดันช่องว่างอย่างต่อเนื่อง (Continuous Pressure Monitoring)

Reciprocating Compressor HAZOP การชี้บ่งอันตรายของเครื่องอัดก๊าซแบบลูกสูบ

Reciprocating compressor หรือ เครื่องอัดก๊าซ หรืออากาศแบบลูกสูบถูกนำไปใช้อย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรม oil and gas ในส่วนงานต่างๆ โดยจัดอยู่ในประเภทคอมเพรสเซอร์แบบ Positive Displacement (การอัดเชิงปริมาตร) โดยมีส่วนประกอบหลักของดังนี้

What are the main components of the reciprocating compressor

  • Cylinder หรือ กระบอกสูบ เป็นห้องที่ใช้ในการดูดและอัดแก๊ส
  • Piston หรือ ลูกสูบ ทำหน้าที่อัดแก๊ส โดยการเคลื่อนที่ขึ้นลงภายในกระบอกสูบ เพื่อดูดและอัดแก๊ส
  • Piston ring หรือ แหวนลูกสูบ ทำหน้าที่ยึดระหว่างลูกสูบ Piston กับผนังกระบอกสูบ Cylinder ป้องกันแก๊สรั่วและรักษาแรงอัด
  • Connecting Rod หรือ ก้านสูบ เป็นส่วนเชื่อมต่อเพลาข้อเหวี่ยง Crankshaft กับลูกสูบ Piston
  • Crankshaft หรือ เพลาข้อเหลี่ยง: โดย Crankshaft ทำหน้าที่แปลงการเคลื่อนที่แบบหมุน (จากมอเตอร์) ให้เป็นการเคลื่อนที่แบบไป-กลับของลูกสูบ
  • Valve วาล์ว โดยมีลิ้นทางดูด (Suction Valve) และลิ้นทางอัด (Discharge Valve) โดยลิ้นทางดูดจะเปิดในจังหวะดูดและจะปิดในจังหวะอัด และพอจังหวะจ่ายลิ้นทางอัดจะเปิดออก

What are general reciprocating compressor hazards?

ความเสียหายทางกลไก (Mechanical Failure)

  • การสึกหรอของชิ้นส่วนภายใน เช่น ปัญหาการหล่อลื่น การขาดแคลนน้ำมันหล่อลื่น (lack of lube oil) หรือการใช้น้ำมันคุณภาพต่ำ (contamination of lube oil) ทำให้เกิดแรงเสียดทาน (Friction) สูงระหว่างลูกสูบ, แหวนลูกสูบ, กระบอกสูบ, และแบริ่ง ซึ่งนำไปสู่ความร้อนสูงเกินไป และอาจทำให้เกิดการ ลูกสูบติด (Piston Seizure)
  • การสึกหรอของวาล์ว ลิ้นทางดูด (Suction valve) และลิ้นทางอัด (Discharge valve) อาจแตกหัก รั่ว หรือทำงานผิดปกติเนื่องจากการสึกหรอหรือมีสิ่งแปลกปลอมเข้าไป ทำให้ประสิทธิภาพลดลงและอาจเกิดความเสียหายต่อลูกสูบ

แรงดันและโหลดเกิน (Overload & Excessive Pressure)

  • การทำงานเกินพิกัดความดันที่ออกแบบไว้ (High Discharge Pressure) ทำให้เกิดความเครียดอย่างมากต่อส่วนประกอบภายใน เช่น ก้านสูบ เพลาข้อเหวี่ยง และตัวกระบอกสูบ อาจนำไปสู่การแตกหักหรือการระเบิดได้

ปัญหาด้านความร้อนและอุณหภูมิ (Thermal and Temperature Issues)

  • อุณหภูมิทางออกสูง (High Discharge Temperature) ซึ่งอาจเกิดจากการรั่วของวาล์วภายใน, การหล่อเย็นไม่เพียงพอ (เช่น ระบบน้ำหล่อเย็นมีปัญหา), หรือการอัดแก๊สที่ปนเปื้อนสารอื่นๆ

ของเหลวเข้ากระบอกสูบ (Liquid Slugging)

  • ในระบบทำความเย็น หากมีสารทำความเย็นที่เป็นของเหลว (Liquid Refrigerant) เข้าสู่กระบอกสูบโดยไม่ได้เปลี่ยนเป็นไออย่างสมบูรณ์ ของเหลวที่ไม่สามารถอัดได้นี้จะสร้างแรงเครียดสูงต่อชิ้นส่วนกลไก ทำให้ก้านสูบหรือวาล์วแตกหักได้

Example: HAZOP for Reciprocating compressor package

ParameterGuide Wordการเบี่ยงเบน (Deviation)สาเหตุที่เป็นไปได้ (Possible Causes)ผลกระทบ (Consequences)มาตรการป้องกันที่มีอยู่ (Safeguards)
การไหล (Flow)NO/NONE (ไม่ไหล)ไม่มีแก๊สเข้า1. วาล์วทางเข้าปิดโดยไม่ได้ตั้งใจ
2. ตัวกรองอุดตันอย่างรุนแรง
3. แหล่งจ่ายแก๊สมีปัญหา ไม่สามารถจ่ายมาได้
คอมเพรสเซอร์ทำงานแบบสุญญากาศ (Vacuum) เกิดความร้อนสูงเกินไป (เนื่องจากไม่มีแก๊สระบายความร้อน) และ มอเตอร์ทำงานเกินพิกัด (Motor Overload)1. สวิตช์แรงดันต่ำ (PALL) ที่ทางเข้า
2. สวิตช์ป้องกันการสั่นสะเทือนสูง (Vibration Switch – Trip)
ความดัน (Pressure)LESS (น้อยกว่า)แรงดันทางเข้าต่ำมาก1. ท่อทางเข้าแตก/รั่วขนาดใหญ่
2. ของเหลวไหลเข้าในท่อ จากการ carryover
1. แรงดันทางออกลดลง
2. คอมเพรสเซอร์ทำงานแบบสุญญากาศ (Vacuum) และเกิดความเสียหายของซีล/วาล์ว
3. เกิด Liquid Slugging หากแก๊สเป็นไอไม่สมบูรณ์
1. สวิตช์แรงดันต่ำ (PALL) และปิดระบบ
2. Low Suction Pressure Alarm (PAL)
ความดัน (Pressure)MORE (มากกว่า)แรงดันทางออกสูงเกิน1. วาล์วทางออก (Downstream Valve) ปิดโดยไม่ได้ตั้งใจ
2. ท่อปลายทางอุดตัน
1. ความเค้นทางกลไกสูงต่อกระบอกสูบ, ก้านสูบ และวาล์ว จนททำให้ internal part damage
2. ความร้อนทางออกสูงเกิน (High Discharge Temp)
3. ท่อหรือกระบอกสูบอาจแตก/ระเบิด (Rupture)
1. วาล์วระบายแรงดัน (PSV)
2. สวิตช์แรงดันสูง (PAHH) และปิดระบบ
3. High Discharge Temperature Trip (TAHH)
อุณหภูมิ (Temperature)MORE (มากกว่า)อุณหภูมิทางออกสูงมาก1. วาล์วรั่วภายใน (Internal Valve Leakage)
2. การระบายความร้อนของเสื้อสูบมีปัญหา (Cooling Jacket Failure)
1. การเผาไหม้/การจุดติดของน้ำมันหล่อลื่นก่อนเวลา (Oil Auto-ignition) ทำให้วาล์วและซีลเสียหายอย่างรุนแรง
2. การสึกหรอของลูกสูบ/กระบอกสูบ
1. สวิตช์อุณหภูมิสูง (TAHH) และปิดระบบ
2. ระบบหล่อเย็นที่เชื่อถือได้
การไหล (Flow)NO/NONE (ไม่ไหล)ไม่มีน้ำมันหล่อลื่นไปแบริ่ง1. ปั๊มน้ำมันหล่อลื่นล้มเหลว
2. ตัวกรอง (Filter) อุดตันอย่าสมบูรณ์ 3. ท่อหล่อลื่นแตก
1. เกิดความร้อนสูงที่แบริ่งและ Crosshead
2. การสึกหรออย่างรวดเร็ว (Scoring) และความเสียหายรุนแรงต่อ internal part
3. คอมเพรสเซอร์ติดขัด (Seizure)
1. สวิตช์แรงดันน้ำมันหล่อลื่นต่ำ (PALL) และปิดระบบ
2. Low Lube Oil Pressure Alarm (PAL)
การสั่นสะเทือน (Vibration)MORE (มากกว่า)การสั่นสะเทือนสูงมาก1. การจัดเรียงเพลาผิดพลาด (Misalignment) หลังจาก Overhual
2. แบริ่งเสียหาย/หลวม
3. ลูกสูบชนจาก Liquid Slugging หรือวาล์วแตก
1. ความเสียหายต่อแบริ่งและเพลาข้อเหวี่ยง 1. ระบบตรวจวัดการสั่นสะเทือน (Vibration Monitoring System)
2. สวิตช์สั่นสะเทือนสูง (Vibrating Switch – Trip)

Gas Lift Operation Hazards

What is the Gas Lift Operation?

Gas Lift operation is a widely used artificial lift method in the oil and gas industry to increase or maintain the production rate of oil wells.

It involves injecting gas into the wellbore to reduce the hydrostatic pressure of the fluid column (the specific gravity is lowered), thereby allowing the reservoir fluids (oil and associated gas) to flow more easily to the surface. This is because of the injected gas encounters the produced fluid (oil and water) in the wellbore. At a certain depth, known as the bubble point depth, the pressure of the injected gas equals the pressure of reservoir fluid, causing the gas to come out of the solution and form bubbles.

Effect of gas lift to reduce the gas specific gravity in well
The relation of gas injection point and production pressure

Gas Lift system components

The basic equipment for gas lift operation includes the following;

  • Gas Lift valve (GSV), a pressure regulator device installed on a gas lift mandrel on the tubing string of a gas lift well. There are 4 types of GSV which are 1) casing pressure-operated valve 2) throttling flow valve 3) fluid-operated valve, and 4) combination of fluid-open/pressure-closed valve.;
  • Wire-line adaptations, a tool to retrieve a dummy valves after finishing the hydrotesting process and use to install the gas lift valves.
  • Check valves on the gas lift vale, to protects against black flow from the tubing to the annulus;
  • Gas Lift mandrels, a container in the tubing string that holds a gas lift valve. The conventional type of Gas Lift mandrel is the side-door type, the mandrel system comprised of Gas Lift Valve (GSV), check valve, mandrels itself.
  • Surface control equipment; and
  • Compressor

The most common failure and cause loss of lifting efficiency

Gas lift system can experience various types of failure or issues that may affect their performance and reliability. Some of most common failure or problem associated with the gas lift operation include:

  • Gas Compression Issues: Insufficient gas supply or inadequate compression can lead to reduce the gas lift effectiveness since it will reduce gas injection rates and suboptimal lift performance. The example causes are following.
    • Gas lift wrong design (larger than actually needed);
    • Hydrate;
    • Unstable of gas lift supply pressure;
    • Problem at surface injection flow control valve;
    • Wrong set point (high/low gas injection flow rate);
    • High pressure in well head
    • Problem at gas lift valve (e.g. salt deposition, stuck open due to dirt accumulation)
  • Gas Leak: Leaks in the gas lift tubing, connections, or surface equipment can lead to loss of gas pressure and reduced injection rates. The example causes are following.
    • Gas lift valve stuck in open position due to salt deposition or dirt accumulation;
    • Gas lift valve faulty
  • Liquid loading: Liquid loading occurs when liquid (e.g. water, condensate) accumulate in the wellbore, obstructing gas flow and reducing life efficiency. Liquid loading can occur due to factors such as declining reservoir pressure, high-gas-to-liquid ratios, or insufficient gas velocity to carry liquids to surface.
  • Gas Interference: Gas interference occurs when gas bubbles coalesce and form large gas slugs in the tubing, causing flow instability and decreased lift efficiency.
  • Downhole Tubing Damage: Corrosion, erosion, or mechanical damage to downhole tubing can compromise the integrity of the gas lift system and reduce it effectiveness.

Wellhead Injection Line Hazards

Simple flow of gas lift

What is the Wellhead Injection Line?

A Wellhead Injection Line is also known as an injection flow line, is a pipeline used to transport fluid from surface facilities to an injection wellhead for various purpose, such as fluid disposal, enhanced oil recovery (EOR), or etc. Unlike production flow lines that transport fluids from WH to processing facilities.

Hence, the component of fluids from Wellhead Flowline and Wellhead Injection Line are difference. For example, the water injection may involve injecting produced water or treated seawater for reservoir pressure maintenance of EOR purpose. Gas injection may involve injecting natural gas or carbon dioxide for EOR or reservoir stimulation.

What are general hazards of Wellhead Injection Line?

Injection flow lines shall be designed to handle the injection rate and pressure required for the specific injection application. However, failure of some devices such as control valve, pressure regulator, and etc. can post of significant hazards.

Undesirable EventCauseDetectable Process Condition
OverpressureBlocked or restricted outlet
Hydrate plug
Upstream control valve failure
Plugged formation
High pressure
LeakDeterioration
Erosion
Corrosion
Impact damage
Vibration
Low pressure
Safety Analysis Table (SAT) – Wellhead Injection Line

What are the Process Safety Device on Wellhead Injection Line?

DeviceLocationFunction
High Pressure Sensor (PSH) to shut off inflowOn the WH Injection source– To alarm when abnormal pressure is found.
– To prevent overpressure
Low Pressure Sensor (PSL) to shut off inflowOn the WH Injection source – To prevent of leakage
Pressure Safety Valve (PSV)On the WH Injection source
(MAWP< shut off pressure from injection source)
– To prevent overpressure
Flow Safety Valve (FSV) or check valveOn the Injection line and near the WH– To prevent the backflow from WH
Additional Shutdown Valve (SDV) and independent pressure sensor (*)On the Injection line and near the WH– To prevent backflow from WH
  • (*) Additional Shutdown Valve and independent pressure sensor is not required on the gas lift line if the system is protected at an upstream component and if they are not subject to backflow from producing formation.
  • (*) Additional Shutdown Valve and independent pressure sensor is not required if the injection line is for the purpose of injecting water and the subsurface formation is incapable of backflow hydrocarbon.
  • (*) If closing of SDV can cause of rapid pressure buildup to injection line, considering the shutdown of the injection source and using double FSV in lieu of an SDV.

Wellhead Flow Lines Hazards

What are the Wellhead Flow Lines (FL)?

Wellhead Flow Line (FL) หรือเรียกอีกอย่างว่า Production Flow Line (FL) คือระบบท่อที่นำส่งของเหลวที่ออกมาจากหัวเจาะ ไม่ว่าจะเป็นน้ำมัน ก๊าซ น้ำ หรือของเหลว Multiphase เข้าไปในส่วนการผลิตบนส่วน Topside

จากรูปข้างล่างระบบท่อ Flow Line (FL) จะต่อมาจาก Choked Valve กับ Wing Valve ที่ต่อมาจากด้านบนของตัว X-Mass Tree โดยจะใช้ Choked Valve ในการปรับอัตราการไหลและความดันเข้าสู่ Production Flow Line (FL)

และจากรูปก็จะมีในส่วน X-mass Tree หรือ Christmas Tee ซึ่งจะติดตั้งอยู่ด้านบนของ Wellhead หรือ หัวหลุมเจาะ โดยจะทำหน้าที่เป็นฐานในการติดตั้งวาล์วต่างๆที่กล่าวไว้แล้วข้างต้น ยังทำหน้าที่สำคัญเป็นตัวยึดแขวนระบบ Tubing ที่ถูกส่งลงไปในหลุมเจาะ Well

What are the general hazards of Flow Lines?

ในการวิเคราะห์ Flowline (FL) เราสามารถวิเคราะห์แยกออกเป็นส่วนย่อยๆ Segment ได้ โดยอาจจะแยกเป็นระดับความดันต่างๆ

ดังนั้นจะเห็นได้ว่า Process parameter ที่มีความสำคัญต่อระบบ Flowline (FL) คือความดัน โดยตารางข้างล่างได้สรุป สาเหตุของปัญหาที่เป็นไปได้ที่จะก่อนให้เกิดปัญหาทางด้านความดัน ทั้งก่อให้เกิดความดันสูง และความดันต่ำลง

Undesirable EventCause Detectable process parameter
Overpressure Blocked or restricted line
Downstream choke plugged
Hydrate plug
Upstream flow control failure
Changing well conditions
Closed outlet valve
High pressure
LeakDeterioration
Erosion
Corrosion
Impact damage
Vibration
Low pressure
Safety Analysis Table (SAT) of Flow Line Segment

Process Safety Devices

ในแง่ของการรักษาความปลอดภัยของระบบท่อ Production Flow Line (FL) โดยพื้นฐานที่สุด คือ ค่าการออกแบบความดัน หรือ Design Pressure ควรจะต้องออกแบบให้สามารถทนต่อความดันและอุณหภูมิสูงสุดที่มีโอกาสเกิดขึ้นได้จากหลุมเจาะ

รวมถึงเครื่องมือรักษาความปลอดภัยอื่นๆ เพื่อช่วยสนับสนุนการทำงานและเป็นระบบสำรองเพื่อควบคุมความดันให้อยู่ในเกณฑ์ที่ยอมรับได้ ก็มีอยู่ด้วยกันหลายชนิด เช่น ระบบป้องกันความดันสูง ระบบป้องกันความดันต่ำจากการรั่วไหล วาล์วระบายความดัน วาล์วความคุมอัตราการไหล เป็นต้น

DeviceLocationFunction
High Pressure Switch (PSH) to shut in the well. Downstream WH, on each FL (MAWP>SITP)– To detect abnormal high pressure i.e. malfunction of choke valve.
– To prevent overpressure situation
Low Pressure Switch (PSL) Downstream WH, on each FL (Length >3meter)– To detect leakage in any FL.
Pressure Safety Valve (PSV)Downstream WH, on each FL (MAWP<SITP) – To prevent overpressure situation
Flow Safety Device (FSV) or check valveFinal FL segment– To prevent the backflow
Additional independent Shutdown Valve (SDV) with PSH sensor*Downstream WH, on each FL (MAWP<SITP)– To prevent overpressure situation (Alternative PSV)
  • MAWP is Maximum Allowable Working Pressure
  • SITP is Shut-In Tubing Pressure which is the pressure of the fluid in the tubing after the well has been shut in for a period of time.
  • (*) Additional independent shutdown valve can be considered when it is adequate to allow sufficient time for closing SDV before exceeding the MAWP.